Capacité oxydative mitochondriale et NIRS

Capacité oxydative musculaire : rôle central des mitochondries

Les mitochondries, souvent surnommées les "centrales énergétiques" des cellules, jouent un rôle crucial dans la production d'énergie (ATP) nécessaire à la contraction musculaire. La capacité des mitochondries à oxyder les substrats et à produire de l'énergie est un facteur déterminant de la performance sportive, de l'endurance et de la récupération. Traditionnellement, l'évaluation de la fonction mitochondriale nécessitait des biopsies musculaires, avec une évaluation par spectroscopie RMN du phosphore. Grâce à la spectroscopie dans le proche infra-rouge (NIRS), celle-ci peut se faire de manière non-invasive et portable comme avec les capteurs PortaMon (100 Hz) et Train.RED. Récemment, une mise à jour du firmware du capteur Moxy permet d’augmenter sa fréquence d’échantillonnage à 10 Hz, plus pertinent pour ce type d’application.

La NIRS est une technique optique non invasive qui utilise des lumières proches infrarouges pour mesurer l'oxygénation et la désoxygénation des tissus. Elle permet de mesurer les concentrations en hémoglobine oxygénée, désoxygénée, et le pourcentage d’oxygénation du tissus (plus de précisions dans cet article.)

Comment la NIRS évalue la capacité oxydative mitochondriale ?

La capacité mitochondriale est étroitement liée à la consommation d'oxygène musculaire. En analysant la cinétique de la désoxygénation musculaire pendant l'exercice et la réoxygénation pendant la récupération, les capteurs peuvent fournir des informations sur :

• La capacité oxydative musculaire

• La cinétique de réoxygénation

• La constante de temps mitochondriale (indicateur de la fonction mitochondriale)

• L'adaptation à l'entraînement : Des changements dans les paramètres mesurés peuvent indiquer des adaptations mitochondriales induites par l'entraînement, telles qu'une augmentation de la densité mitochondriale ou une amélioration de l'efficacité oxydative.

Ses mesures ont souvent recours à des occlusions artérioveineuses grâce à un brassard à gonflement rapide. Le tissus monitoré sous le capteur est ainsi en système fermé, et les échanges d’oxygènes peuvent être mesurés en stimulant le muscle électriquement ou lors d’exercices plus ou moins intenses.

(a) Désaturation de la SmO2 à une Contraction Maximale Volontaire, puis ressaturation avec occlusions rapides.

(b) Graphe des pentes de désaturations (en bleu) précédemment calculées (En rouge sur (a)) et interpolation par courbe exponentielle (en orange).

Les désaturations sont plus intenses au début, jusqu’à se stabiliser à la valeur basale. La constante calculée par l’interpolation exponentielle permet de quantifier une récupération en oxygénation rapide pour des athlètes entrainés (10-15s) ou lente (80-100s) pour des sujets présentant des limitations en apport d’O2 ou un disfonctionnement mitochondrial.

Protocole d'évaluation typique :

L'évaluation de la fonction mitochondriale avec la NIRS implique généralement :

  1. Placement du capteur : Le capteur NIRS est placé sur un muscle cible (par exemple au niveau des quadriceps) et correctement fixé avec adhésif et protection contre la lumière ambiante.

  2. Exercice progressif : L'athlète réalise un exercice progressif, souvent sur un tapis roulant ou un ergomètre, avec des augmentations d'intensité régulières.

  3. Récupération des données : Les données d'oxygénation musculaire sont collectées en continu et synchronisées avec le brassard d’occlusion rapide.

  4. Analyse des données : L'analyse de la phase de récupération permet d’évaluer la capacité de réoxygénation du muscle.

Avantages de l'utilisation de la NIRS :

• Non invasif : Évite les biopsies musculaires, réduisant les risques et la douleur.

• Portable : Permet des évaluations sur le terrain et en conditions réelles d'entraînement.

• En temps réel : Fournit des données continues et synchronisables.

• Polyvalent : Les mesures sont rapides à mettre en place et dans diverses situations.

Conclusion :

Historiquement, les capteurs Moxy échantillonnaient entre 0,5 et 2 Hz selon le réglage sélectionné. Si augmenter cette fréquence à 10 Hz permet d’aller plus loin dans l’analyse des données, la batterie du capteur peut cependant se vider plus rapidement.

La NIRS, en particulier avec des dispositifs portables comme le PortaMon et le Moxy, offre une méthode précieuse et non invasive pour évaluer la fonction mitochondriale musculaire. En permettant aux chercheurs et aux entraîneurs de suivre l'oxygénation musculaire en temps réel, cette technologie ouvre des perspectives pour comprendre les mécanismes de la performance sportive et optimiser les stratégies d'entraînement.

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Références :

- Ryan, Terence E et al. “Assessment of in vivo skeletal muscle mitochondrial respiratory capacity in humans by near-infrared spectroscopy: a comparison with in situ measurements.” The Journal of physiology vol. 592,15 (2014): 3231-41. doi:10.1113/jphysiol.2014.274456.

- Erickson, Melissa Lynn et al. “Near-infrared assessments of skeletal muscle oxidative capacity in persons with spinal cord injury.” European journal of applied physiology vol. 113,9 (2013): 2275-83. doi:10.1007/s00421-013-2657-0.

- Ferreira, Leonardo F et al. “Muscle capillary blood flow kinetics estimated from pulmonary O2 uptake and near-infrared spectroscopy.” Journal of applied physiology (Bethesda, Md. : 1985) vol. 98,5 (2005): 1820-8. doi:10.1152/japplphysiol.00907.2004.

- Ryan, Terence E et al. “A cross-validation of near-infrared spectroscopy measurements of skeletal muscle oxidative capacity with phosphorus magnetic resonance spectroscopy.” Journal of applied physiology (Bethesda, Md. : 1985) vol. 115,12 (2013): 1757-66. doi:10.1152/japplphysiol.00835.2013.